傳統實驗與數字化實驗對比分析

王成武 李豐利

摘要：測量小車在斜面上運動的速度，是初中物理的探究實驗。傳統實驗的設備制作、實驗操作、數據采集都給學生帶來很大的不便。而數字化實驗則可以很好地避免這些問題，凸顯這種實驗方式的優點。傳統實驗和數字化實驗相互融合，各取所長，應該是物理實驗教學的一個方向。

關鍵詞：傳統實驗 ?數字化實驗 ?斜面 ?小車運動 ?平均速度

一、傳統實驗

測量小車在斜面上滑動的平均速度實驗是近年來中考的熱點，在多地中考出現過。該實驗的原理是v=s/t。測出物體運動的路程s，測出通過這段路程所用時間t，就可以計算這段路程的平均速度。該實驗所需器材有刻度尺、機械停表、斜面、小車、金屬片等。

實驗步驟：

（1）把小車放在斜面頂端，金屬片放在斜面底端;

（2）用刻度尺測出小車到金屬片的距離s1，并記錄在表格中;

（3）用停表測出小車從斜面頂端滑下到撞擊金屬片的時間t1，并記錄在表格中;

（4）將金屬片移至斜面的中點處，用刻度尺測出小車到金屬片的距離s2，用停表測出小車從斜面頂端滑下到撞擊金屬片的時間t2，并記錄在表格中。

其中，斜面的作用是使小車獲得下滑的動力，金屬片的作用是確保小車運動的終點始終在同一位置，更為準確地測量路程和時間。

實驗注意事項：

（1）在測量時間時，要做到在小車開始運動的同時開始計時，小車撞擊金屬片的同時停止計時。

（2）斜面要長一些而且要保持較小的坡度，使小車在下滑時速度較慢、時間較長，以便更準確地測量運動的時間，減小誤差。

分析數據，得出結論。

計算不同階段的平均速度V，比較不同階段的平均速度大小。

實驗反思：

以上為傳統實驗的方案。筆者曾試圖動手做這個實驗，發現“問題”很多。如：①難以選擇合適的長的斜面。筆者實驗時斜面的坡度大概為10°，斜面長1 m，小車運動時間非常短，只有2.4 s。這樣短的時間，讓時間的計量誤差也比較大。②教具制作不易。實驗室沒有配測量小車運動平均速度的教具，所以老師要演示這個實驗，必須自己制作。這個很不容易，而且讓物體滑下時，盡量要求做直線運動。由此可知，如果用傳統的方法把這個實驗完整地做出來，是非常耗費精力的，且誤差比較大。

二、數字化實驗

下面，筆者就利用威尼爾數字化實驗器材，把這個實驗簡便、準確地呈現出來。數字化實驗簡稱DIS（Digital Information System），是實驗者借助于各類傳感器、采集器、計算機及相關數據處理軟件等自動實時地采集數據，并以多種形式呈現的現代化實驗技術手段。

實驗目的：

研究小車在斜面上運動速度的變化和斜面的傾斜程度（通過墊木板的方法改變傾斜程度對小車運動速度的影響）。

實驗原理：

根據平均速度公式v=s/t，結合小車的運動時間與距離，計算前半程、后半程和全程的平均速度。

實驗準備：

（1）組裝。

（1）把軌道放置在水平桌面上，一端調高。

（2）把運動傳感器放在調高的一端，固定好;在終點安裝擋板，避免小車最終脫離軌道。

（3）將數據采集器接口與計算機相連，接通電源。

（4）將運動傳感器接入數據采集器的接口。

（5）打開數據采集器，設置采樣頻率為20 Hz，采樣時間為5 s。

實驗步驟：

（1）把小車放到導軌的高端119厘米刻度線處。

（2）打開威尼爾專用的數據處理軟件Logger Pro，點擊“開始”，記錄數據。

（3）釋放小車使其沿著導軌滑下，利用運動傳感器記錄它的位置和時刻，并呈現在計算機上。

（4）將數據輸出為csv格式。

（5）在軌道高端處的下面墊一塊木板，重復步驟（1）（2）（3）（4）。

（6）在軌道高端處的下面再墊一塊同樣的木板，重復步驟（1）（2）（3）（4）。

（7）關閉Logger Pro，拔掉數據線，整理好實驗器材。

實驗分析：

表格中的數據是原始數據，為了減少誤差，選取的是小車運動過程中的數據。本文選取0.3 m為起始位置，0.9 m為終點位置，分別計算三組實驗中的v前半程，v后半程，v全程的大小。

實驗結論：

（1）v前半程<v全程<v后半程。

（2）同一斜面的同一段距離，斜面傾角越大，平均速度越大。

誤差分析：

（1）傳感器自身的計量誤差;

（2）截取數據的誤差;

（3）平均速度計算的誤差。

三、對比

通過對小車運動平均速度的測量，相對于傳統實驗，我們可知數字化實驗有以下特點：

（1）利用專門的器具，非常方便地完成實驗。教師無須花多少時間和精力準備整個實驗，可以精心準備教學流程和設計實驗。教師的職業特點決定教師的工作重心應該是教書育人而不是制作精巧的教具。教師整個數字化實驗中所花費的時間和精力成本非常小，而教學效益卻非常大。

（2）測量精度比較高，誤差小，定量地獲得具有更可靠的實驗結論。誠然，如果器具齊全，利用傳統的刻度尺、秒表也可以完成任務，但是測量的精度特別是這種動態測量的精度，與數字化實驗無法相比。因此，物理實驗中數字化設備的使用，可以定量地研究問題，獲得結論也更加可靠。

（3）利用專業的數據處理軟件，可以準確、直觀、便利地得出結論。傳統實驗的數據，一般用紙筆運算，運算量大，容易出錯;而數字化實驗，有與設備配套的數據處理軟件，可以快速地對大量的數據進行運算和分析，并且可以圖像的形式直觀地呈現，還可以方便地導出。因此，數字化系統的使用，給師生的數據處理帶來了極大方便，同時更準確、直觀。

（4）易于進行實驗深入和拓展，研究新的內容。相對于傳統實驗，數字化實驗可以更容易地進行實驗的深入和拓展。如本實驗中探究了在斜面傾角不同的情況下，小車在斜面上的運動情況。筆者用數字化設備和數據處理軟件進行這個實驗，前后只用了5分鐘的時間，非常容易。當然，還可以利用數字化實驗器材進行拓展，如可以把軌道放在水平的桌面上，在其上放置兩只小車，把運動傳感器固定在其中的一只小車上;然后讓兩只小車一個運動一個靜止或都運動起來（可以同向、反向），通過傳感器可以實時記錄兩只小車的相對運動速度。這比傳統的實驗手段定性地得出結論更加簡易。

責任編輯：黃大燦